基于BIM的建筑火災模擬研究

王一諾，張麗麗，代洪濤，李光子，王鑫妍

摘要：以電影院為研究對象，利用3DMax軟件建立電影院BIM建筑模型，導入火災模擬軟件Pyrosim中，模擬火災來臨時排煙開啟和排煙失效兩種工況，對電影院溫度場進行分析，并將分析結果與電影院實體火災試驗結果進行對比。研究表明：設計階段常用軟件3DMax模型優化后可完整導入火災模擬軟件中，避免二次建模，從而提高模擬效率；有排煙場景煙氣溫度比無排煙場景更紊亂，上層煙氣溫度更高；模擬場景火源上方最高溫度與實體火災場景相當，驗證了BIM模型導入火災模擬工況的可靠性。

關鍵詞：BIM模型；電影院；火災模擬

引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，為滿足社會民眾的實際需求，建筑朝著超高層、綜合體等方向不斷發展，一旦發生火災，極易發生蔓延，造成嚴重的財產損失與人員傷亡。傳統的消防規范難以滿足上述超高層、大型商業綜合體等建筑的設計要求，因此針對這些建筑，一般會采用消防性能化分析，通過火災模擬分析確定火災風險。目前，國內外建筑火災模擬一般使用FDS軟件。FDS建模方式需要輸入命令語言，或是在FDS的前處理器PyroSim中構件三維模型。以上幾種方式均需對CAD二維圖紙文件進行識讀和二次建模，在此過程中就會出現對模型把握不夠精確、誤操作等錯誤，造成模擬的模型與實際工程之間產生偏差。

隨著信息化時代到來，建筑行業逐漸從二維圖紙向著三維信息模型開始轉變，BIM技術開始應用于建筑行業。針對BIM技術的相關研究有很多，學者王婷[1]等提出基于BIM模型與疏散模型的關系；李石磊[2]等提出利用BIM技術建立建筑能耗監測系統；武煒[3]等提出BIM與無人機傾斜攝影測量融合技術；道吉草[4]等提出基于Revit模型導入FDS。目前，建筑行業設計階段常用軟件為3DMax，屬于BIM前端設計軟件，但直接利用該軟件導入火災模擬軟件的相關研究和實踐尚較少。因此，本研究探討該技術路徑的可行性，以實際電影院工程為例，研究模型導入FDS后，其模擬結果與實體火災場景對比，判定其是否接近真實火災工況。

一、BIM模型導入火災模擬軟件路徑

在建筑設計階段，目前常用軟件為3DMax。以3DMax軟件為對象，探討其模型導入火災模擬軟件的可行性?；馂哪M為計算流體力學范疇，一般其軟件由前處理、求解器和后處理三部分組成。火災模擬主流軟件為FDS，其前處理為Pyrosim，后處理為Somkeview。前處理Pyrosim軟件的幾何模型可以由DXF格式導入，而3DMax可以導出該格式，使用該方法可以直接將設計模型導入火災模擬軟件中，實現BIM模型從設計階段到工程模擬階段的轉換，從而打破建筑不同階段的壁壘。3DMax有直接三維建模和二維建模拉伸生成三維模型兩種方式（如圖1）。

在導入過程中，二維拉伸生成三維模型可以在Pyrosim中顯示，而直接三維建模的模型會在Pyrosim中丟失，在修改菜單中，選擇專業優化后再導出的模型在Pyrosim中可以完整呈現，從而解決該問題。經測試，專業優化級別需小于100%，否則導出模型將成為一個整體，而不是按構件區分（如圖2）。

中專業優化設置成功導入Pyrosim后，需添加網格、火源、排煙等參數信息（如圖3），進入FDS模擬火災過程，計算結果在后處理Smokeview里進行查看。

二、火災模擬設計

以某電影院工程為案例，設計火災場景。火災發生從起火到旺盛燃燒階段，釋熱速率大體按指數規律增長，與火災時間的平方成正比關系。火災增長速度一般分為慢速、中速、快速、超快速四種類型，其中中速火一般為棉與聚酯纖維彈簧床墊、木制辦公桌等制品，因此本次火災模擬設計工況采用中速火進行設計。

NFPA手冊[5]中提出可堆疊的椅子放熱率，12把堆疊椅子的熱釋放速率峰值可達2.25MW，相當于燃燒大約17分鐘的中型火災?！督ㄖ罒熍艧熛到y技術標準》GB 51251-2017[6]給出了常見的各類場所火災熱釋放速率建議，《建筑設計防火規范》GB50016—2014[7]中對電影院沒有明確分類，因此考慮規范中的其它建筑相關標準，設有噴淋的其它建筑火災規模為2.5MW。按保守設計，火災模擬設計如下：火災規模2.5MW；火源功率為中速火；初始環境溫度設置為20℃；模擬時長1800s?；馂膱鼍翱紤]排煙有效和排煙失效兩種工況，具體設置如表1所示。

三、模擬結果分析

C1及C2工況火災模擬現象如圖4所示。

C1及C2工況火焰上空測溫點溫度曲線圖如圖5所示。

在影院火災模擬場景中，對比有排煙設施及無排煙設施場景的熱電偶測點時間溫度曲線圖可以發現：C1有排煙的場景煙氣溫度要比C2無排煙場景煙氣溫度更紊亂，上層煙氣溫度更高，這與我們一般印象中有排煙工況危險來臨時間大于無排煙工況的認識似乎有出入，但實則不然。首先，在無排煙工況中，上下兩個流體層之間摻混很微弱，時間溫度曲線圖較為平緩，而設置排煙工況下，煙氣會受機械排煙的干擾，層流狀態變為紊流狀態，且高度越高，氣流越紊亂，這與熱電偶測點記錄現象一致。其次，由燃燒機理可知，空間內對流條件越好，火焰越旺，影院設置有門洞，在排煙工況中，排風補風條件均良好，因此火焰較無排煙工況更旺，頂部煙氣層溫度越高。由于熱煙不斷排出該空間，導致熱煙沉降速度較慢，所以無排煙工況煙氣溫度要高于有排煙工況。由下圖可知，排煙有效工況，頂層煙氣溫度較高且較為紊亂，但中下層溫度較低；排煙失效工況，煙氣溫度較為平緩，中下層溫度較高。

根據《電影院高透聲織物音響遮蔽系統防火性能試驗研究》中的試驗數據，對比其與模擬工況相同位置熱電偶測點溫度可以發現，實體火災測點距離火源越近則溫度越高，而模擬工況測點高度越高則溫度越高[8]。這是因為模擬計算中采用影院實際模型，處于墻角位置的高度為5m，在煙氣到達頂棚后，先向水平擴散，后逐漸積累形成煙氣層。而實體火災試驗的場地層高較高，煙氣沒有在5m處產生聚集，因而測點溫度受距離火源遠近影響。在影院實體火災試驗數據中，火源上方最高溫度可達到728℃，該試驗未設置排煙，對比火災模擬C2排煙失效工況，該工況相同位置測點最高溫度為800℃，實體試驗火源溫度與火災工況溫度水平相當，說明BIM模型導入火災模擬軟件的模擬結果接近真實工況。

結語

設計階段常用軟件3DMax，其模型優化后可完整導入火災模擬軟件中，避免二次建模，從而提高模擬效率；有排煙場景煙氣溫度比無排煙場景更紊亂，上層煙氣溫度更高；模擬場景火源上方最高溫度與實體火災場景相當，驗證了BIM模型導入火災模擬工況的可靠性。

通過本研究發現，BIM技術在建筑防火領域有著良好的適用性，充分利用BIM技術可提高建模精度，增加工程模擬效率。但BIM技術普及程度不夠，復合型人才不足，導致利用BIM技術二次開發在建筑設計施工階段的應用仍停留在理論階段。隨著BIM技術的日漸成熟，未來可應用于施工圖紙消防審查、消防管理等領域。

參考文獻

[1]王婷，杜慕皓，唐永福，等.基于BIM的火災模擬與安全疏散分析[J].土木建筑工程信息技術，2014，6（06）：102-108.

[2]李石磊，李靜，陳陽.基于BIM技術的建筑室內能耗可視化監測系統設計[J].北京工業職業技術學院學報，2023，22（01）：39-43.

[3]武煒，張麗麗，司典浩，等.BIM+無人機傾斜攝影測量融合技術在雄安昝崗再生水廠工程中的應用[J].北京工業職業技術學院學報，2022，21（02）：1-5.

[4]道吉草，史健勇.基于BIM的建筑火災安全分析[J].消防科學與技術，2017，36（03）：391-394.

[5]Clay W.NFPA 92 guides smoke control system design[J].Consulting-specifying Engineer，2018，55（04）：34-39.

[6]GB 51251-2017，建筑防煙排煙系統技術標準[S].

[7]GB 50016—2014，建筑設計防火規范[S].

[8]王一諾，李磊，周蓮.電影院高透聲織物音響遮蔽系統防火性能試驗研究[J].建筑科學，2021，37（05）：108-112.